CN103679255A - 双频标签装置和双频标签识别定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双频标签装置和双频标签识别定位系统，其中，所述双频标签装置至少包括：近场通讯单元、远距离通讯单元和处理单元，所述处理单元连接于所述近场通讯单元和所述远距离通讯单元。本发明的双频标签装置将近场通讯技术与远程无线通讯技术相结合，将两种技术有机融合在同一个装置中，并将远距离通讯信号与近场通讯信号通过同一处理单元进行处理，并将远距离通讯信号中带有的数据保存到处理单元的存储模块中，达到数据共享、精确识别定位的目的，成本低廉，且兼容现有近场读卡设备，保证了在已有设备投入资源基础上，经过少量设备添置，达到对目标精确跟踪定位的目的。

Description

双频标签装置和双频标签识别定位系统

技术领域

本发明涉及一种近场通讯技术结合远距离通讯技术的标签装置，特别是涉及一种双频标签装置和双频标签识别定位系统。

背景技术

近场通讯技术是指近距离无线通讯技术。是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输，在十厘米（3.9英吋）内交换数据。此技术被广泛应用企业/校园一卡通、公交储值卡、高速公路收费、停车场、小区管理等场所。主要应用于门禁系统、考勤系统、电梯刷卡控制系统、班车管理，仓储管理系统等；节能环保类应用如：水控管理系统、温控管理系统、电控管理系统等领域。

在实际使用过程中由于近场通讯技术本身的技术特性，使其具有通讯作用区域可控制、通讯双方对象明确等优点，可以广泛用于支付，身份认证等领域。但是，同样是这些特性，阻碍了其在其他方向的发展，例如人员定位，车辆定位，仓储管理中库存盘点等。利用近场通讯技术在对目标（如人员、物体、车辆等）进行出入口识别，达到跟踪其在某个需要监控区域内，但无法做到精确定位，例如在高速公路多路径识别中应用，现有高速公路收费管理上多数采用近场通讯技术的IC卡，实现识别起点信息和目的地信息进行收费，没有路径信息，无法按实际行车路径来结算，而在联网收费系统中，精确拆分帐和结算是保证各高速公路业主利益的关键，而完整的、清晰的行车路径数据是实现精确拆分帐的基础。在库存盘点时由于近场通讯技术支持十厘米内的通讯，在盘点时需要人员进入仓库对目标逐一识别读取，采用单一近场通讯技标签无法做到完全自动化盘点。

因此，在采用近场通讯技术进行目标识别的基础上，如何在需要监控区域内对目标进行定位是亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双频标签装置和双频标签识别定位系统，用于解决现有技术中只能采用近场通讯技术进行目标识别，而无法在需要监控区域内对目标进行定位的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双频标签装置，用于与外部的近场读卡器和远距离通讯基站分别进行通讯，其特征在于，所述双频标签装置至少包括：近场通讯单元、远距离通讯单元和处理单元，所述处理单元连接于所述近场通讯单元和所述远距离通讯单元；

所述近场通讯单元接收所述近场读卡器发送的第一近场通讯信号，所述处理单元处理所述第一近场通讯信号，并通过所述近场通讯单元向所述近场读卡器发送第二近场通讯信号；

所述处理单元通过所述远距离通讯单元向所述远距离通讯基站发射带有标签数据信息的第一远距离通讯信号，所述远距离通讯单元接收所述远距离通讯基站反馈的带有基站数据信息的第二远距离通讯信号，所述处理单元处理所述第二远距离通讯信号并保存所述基站数据信息；

其中，所述处理单元在所述基站数据信息存在时通过所述近场通讯单元向所述近场读卡器发送供所述近场读卡器识别和定位的带有所述基站数据信息的第二近场通讯信号。

优选地，所述近场通讯单元至少包括：

环形天线，用于接收所述近场读卡器发送的第一近场通讯信号，或者向所述近场读卡器发射所述第二近场通讯信号；

模拟电路，连接于所述环形天线，用于将所述第一近场通讯信号发送至所述处理单元，或者将所述处理单元发出的第二近场通讯信号发送至所述环形天线。

优选地，所述模拟电路至少包括：

LC谐振电路，用于谐振提高所述第一近场通讯信号中的载波的交流电压，或者将经过调制的所述第二近场通讯信号选取出来；

整流器，连接于所述LC谐振电路，用于将提高后的第一近场通讯信号中的载波的交流电压转化为直流电压，并输出所述直流电压；

限幅器，连接于所述整流器，用于限制所述直流电压的大小；

调制器，连接于所述LC谐振电路，用于调制所述处理单元发出的第二近场通讯信号，并将调制后的第二近场通讯信号发送至所述环形天线；

解调器，连接于所述整流器，用于接收所述直流电压，并解调所述第一近场通讯信号，并将解调后的第一近场通讯信号发送至所述处理单元。

优选地，所述LC谐振电路包括感应线圈和电容，所述感应线圈与所述电容并联连接；

所述调制器包括三极管、第一场效应晶体管和第二场效应晶体管，所述三极管的基极用于接收所述处理单元发送的第二近场通讯信号，所述三极管的集电极连接于所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管的栅极，所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管的源极和漏极分别连接于所述LC谐振电路的两端，其中，所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管为相反类型的晶体管；

所述整流器包括四个桥接的整流二极管和串联在四个整流二极管间的稳压储能电容；

所述限幅器包括反向串联的两个稳压二极管；

所述解调器包括包络检波电路、第一比较器和第二比较器，所述包络检波电路的输出端连接所述第一比较器的输出端后接入所述第二比较器的正输入端，所述第一比较器的使能端连接所述第二比较器的输出端。

优选地，所述包络检波电路包括检波二极管，第一稳压电容、第二稳压电容和恒流源，所述检波二极管连接于所述第一稳压电容和所述恒流源，所述恒流源串联连接所述第二稳压电容后与所述第一稳压电容并联连接。

优选地，所述恒流源包括依次串联的稳压二极管、稳压电阻和稳压三极管。

优选地，所述远距离通讯单元至少包括：

射频天线，用于向所述远距离通讯基站发射所述第一远距离通讯信号，或者接收所述远距离通讯基站反馈的带有基站数据信息的第二远距离通讯信号；

射频模块，连接于所述射频天线，用于将所述处理单元发出的带有标签数据信息的第一远距离通讯信号发送至所述射频天线，或者将所述第二远距离通讯信号发送至所述处理单元。

优选地，所述处理单元至少包括：

主芯片模块，用于处理所述第一近场通讯信号并发出所述第二近场通讯信号，或者以相同时间间隔发出带有标签数据信息的第一远距离通讯信号，并在接收到所述第二远距离通讯信号时对其进行处理；

RTC时钟模块，连接于所述主芯片模块，用于为所述主芯片模块的工作提供时间基准；

SPI接口模块，连接于所述主芯片模块和所述远距离通讯单元，用于将所述远距离通讯单元接收到的带有基站数据信息的第二近场通讯信号传输至所述主芯片模块，或者将所述主芯片模块发出的所述第一远距离通讯信号传输至所述远距离通讯单元；

Flash存储模块，连接于所述主芯片模块，用于在所述主芯片模块处理所述第二远距离通讯信号后保存所述基站数据信息；

GPIO管脚模块，连接于所述主芯片模块和所述近场通讯单元，用于将所述近场通讯单元接收到的所述第一近场通讯信号传输至所述主芯片模块，或者将所述主芯片模块发出的所述第二近场通讯信号传输至所述近场通讯单元。

优选地，所述近场通讯单元采用13.56MHz频段，所述第一近场通讯信号为具有13.56MHz载波并带有识别数据信息的幅度调制信号，所述第二近场通讯信号为具有13.56MHz载波并带有识别数据信息或者带有识别数据信息和所述基站数据信息的幅度调制信号；所述远距离通讯单元采用433MHz频段，所述第一远距离通讯信号为具有433MHz载波并带有标签数据信息的幅度调制信号，所述第二远距离通讯信号为具有433MHz载波并带有基站数据信息的幅度调制信号。

优选地，所述双频标签装置还包括：电源单元，连接于所述处理单元、所述近场通讯单元和所述远距离通讯单元，用于为所述处理单元、所述近场通讯单元和所述远距离通讯单元供电。

优选地，所述处理单元还包括：ADC电压采集模块，连接于所述主芯片模块和所述电源单元，用于采集电源单元的模拟电平信号。

本发明还提供一种双频标签识别定位系统，用于目标在需要监控区域的识别和定位，其中，所述双频标签识别定位系统至少包括：如上所述的双频标签装置，近场读卡器以及远距离无线通讯基站，所述近场读卡器设于所述需要监控区域的出入口处，所述远距离无线通讯基站设于所述需要监控区域内的多个位置，所述目标携带所述双频标签装置；

所述目标在所述需要监控区域的出入口时，所述近场读卡器向所述双频标签装置发送第一近场通讯信号，所述双频标签装置接收到所述第一近场通讯信号后向所述近场读卡器发送第二近场通讯信号；

所述目标在所述需要监控区域内时，所述双频标签装置向所述远距离通讯基站发射带有标签数据信息的第一远距离通讯信号，所述远距离无线通讯基站接收到所述第一远距离通讯信号后向所述双频标签装置反馈的带有基站数据信息的第二远距离通讯信号，所述双频标签装置接收到所述第二远距离通讯信号后保存所述基站数据信息；

其中，所述双频标签装置在所述基站数据信息存在时向所述近场读卡器发送供所述近场读卡器识别和定位的带有所述基站数据信息的第二近场通讯信号，所述近场读卡器根据所述第二近场通讯信号带有的所述基站数据信息识别和定位所述目标。

优选地，所述双频标签识别定位系统还包括：计算机，所述远距离无线通讯基站通过以太网向所述计算机发送所述标签数据信息和所述基站数据信息。

优选地，所述标签数据信息包括标签ID号，电量，接收打开时间以及接收窗口打开时长；所述基站数据信息包括基站数据发送时间，远距离无线通讯基站ID号以及远程无线通讯信号强度信息。

如上所述，本发明的双频标签装置和双频标签识别定位系统，具有以下有益效果：

本发明的双频标签装置将近场通讯技术与远程无线通讯技术相结合，将两种技术有机融合在同一个装置中，并将远距离通讯信号与近场通讯信号通过同一处理单元进行处理，并将远距离通讯信号中带有的数据保存到处理单元的存储模块中，达到数据共享、精确识别定位的目的，成本低廉，且兼容现有近场读卡设备，保证了在已有设备投入资源基础上，经过少量设备添置，达到对目标精确跟踪定位的目的。

本发明的双频标签识别定位系统能够精确定位目标，且设备投入少、改造成本低，能保持与原有系统保持较高的兼容性，可以应用于高速公路多路径识别，能够最大限度保留现有收费系统各项设备，最大程度降低改造费用，也可以应用于仓储管理、自动化盘点、人员监控等场合。

附图说明

图1显示为本发明第一实施方式的模块示意图。

图2显示为本发明第一实施方式的结构示意图。

图3显示为本发明第一实施方式中处理单元的模块示意图。

图4显示为本发明第一实施方式中模拟电路的模块示意图。

图5显示为本发明第一实施方式中模拟电路的电路图。

图6显示为本发明第二实施方式的双频标签识别定位系统示意图。

图7显示为本发明第二实施方式中远距离无线通讯基站的模块示意图。

元件标号说明

10  近场通讯单元

20  处理单元

30  远距离通讯单元

40  电路板

50  电源单元

11  环形天线

12  模拟电路

31  射频天线

32  射频模块

21  主芯片模块

22  RTC时钟模块

23  SPI接口模块

24  Flash存储模块

25  GPIO管脚模块

26  ADC电压采集模块

41  LC谐振电路

42  整流器

43  限幅器

44  调制器

45  解调器

100 双频标签装置

200 远距离无线通讯基站

300 近场读卡器

400 需要监控区域

401 入口

402 出口

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

本发明第一实施方式涉及一种双频标签装置，用于与外部的近场读卡器和远距离通讯基站分别进行通讯，请参阅图1。需要说明的是，本实施方式中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

双频标签装置至少包括：近场通讯单元10、远距离通讯单元30和处理单元20，处理单元20连接于近场通讯单元10和远距离通讯单元30；近场通讯单元10接收近场读卡器发送的第一近场通讯信号，处理单元处理第一近场通讯信号，并通过近场通讯单元10向近场读卡器发送第二近场通讯信号；处理单元通过远距离通讯单元30向远距离通讯基站发射带有标签数据信息的第一远距离通讯信号，远距离通讯单元30接收远距离通讯基站反馈的带有基站数据信息的第二远距离通讯信号，处理单元处理第二远距离通讯信号并保存基站数据信息；其中，处理单元在基站数据信息存在时通过近场通讯单元10向近场读卡器发送供近场读卡器识别和定位的带有基站数据信息的第二近场通讯信号。

在本实施方式中，所述近场通讯单元采用13.56MHz频段，所述第一近场通讯信号为具有13.56MHz载波并带有识别数据信息的幅度调制信号，所述第二近场通讯信号为具有13.56MHz载波并带有识别数据信息或者带有识别数据信息和所述基站数据信息的幅度调制信号；所述远距离通讯单元采用433MHz频段，所述第一远距离通讯信号为具有433MHz载波并带有标签数据信息的幅度调制信号，所述第二远距离通讯信号为具有433MHz载波并带有基站数据信息的幅度调制信号，远距离通讯单元支持多种编码方式，其传输距离远，在室内此频段传输衍射性能较佳，能够有效绕过障碍物进行通讯，适合应用于仓储、办公室等环境；也可用于高速公路多路径的识别和定位。

本实施方式的双频标签装置将近场通讯单元10、远距离通讯单元30和处理单元20集成于一块电路板40上，通常采用印刷电路板（Printed Circuit Board，简称PCB基板），参见图2，其中，近场通讯单元10至少包括：环形天线11，用于接收近场读卡器发送的第一近场通讯信号，或者向近场读卡器发射第二近场通讯信号；模拟电路12，连接于环形天线11，用于将第一近场通讯信号发送至处理单元20，或者将处理单元20发出的第二近场通讯信号发送至环形天线11。远距离通讯单元30至少包括：射频天线31，用于向远距离通讯基站发射第一远距离通讯信号，或者接收远距离通讯基站反馈的带有基站数据信息的第二远距离通讯信号；射频模块32，连接于射频天线31，用于将处理单元20发出的带有标签数据信息的第一远距离通讯信号发送至射频天线31，或者将第二远距离通讯信号发送至处理单元20。

请继续参阅如图2所示的结构示意图，环形天线11、模拟电路12、射频天线31、射频模块32以及处理单元20均设置于电路板40上，处理单元20电连接于模拟电路12、射频模块31，射频模块32电连接于射频天线31，环形天线11设于电路板40的四周且环状包围模拟电路12、射频天线31、射频模块32以及处理单元20，模拟电路12电连接于环形天线11；其中，环形天线11采用多根金属丝形成，将其环绕在电路板40的四周是为了尽量扩大其包围面积，增加其信号接收强度，从而提高环形天线11的数据识别率，使双频标签装置在距外部的近场读卡器较大的距离（一般约10cm）时就可以识别外部的近场读卡器发出的第一近场通讯信号。另外，本实施方式的双频标签装置还包括：电源单元50，连接于处理单元20、近场通讯单元10和远距离通讯单元30，用于为处理单元20、近场通讯单元10和远距离通讯单元30供电，具体地，电源单元50电连接于处理单元20、模拟电路12和射频模块32，电源电源50通常采用干电池，其提供3V的电源电压。

处理单元20通常采用微处理器MCU，请参阅图3，处理单元20至少包括：主芯片模块21，用于处理第一近场通讯信号并发出第二近场通讯信号，或者以相同时间间隔发出带有标签数据信息的第一远距离通讯信号，并在接收到第二远距离通讯信号时对其进行处理；RTC（Real Time Clock，实时时钟）时钟模块22，连接于主芯片模块21，用于为主芯片模块21的工作提供时间基准；SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）接口模块23，连接于主芯片模块21和远距离通讯单元30，用于将远距离通讯单元30接收到的带有基站数据信息的第二近场通讯信号传输至主芯片模块21，或者将主芯片模块21发出的第一远距离通讯信号传输至远距离通讯单元30；Flash（闪存）存储模块24，连接于主芯片模块21，用于在主芯片模块21处理第二远距离通讯信号后保存基站数据信息；GPIO（General PurposeInput/Output，通用输入输出）管脚模块25，连接于主芯片模块和近场通讯单元，用于将近场通讯单元接收到的第一近场通讯信号传输至主芯片模块，或者将主芯片模块发出的第二近场通讯信号传输至近场通讯单元。另外，处理单元20还包括：ADC（Analog to Digital Converter，模拟数字转换器）电压采集模块26，连接于主芯片模块和电源单元，用于采集电源单元的模拟电平信号。

另外，请参阅图4，模拟电路12至少包括：LC谐振电路41，用于谐振提高第一近场通讯信号中的载波的交流电压，或者将经过调制的第二近场通讯信号选取出来；整流器42，连接于LC谐振电路41，用于将提高后的第一近场通讯信号中的载波的交流电压转化为直流电压，并输出直流电压；限幅器43，连接于整流器42，用于限制直流电压的大小；调制器44，连接于LC谐振电路41，用于调制处理单元发出的第二近场通讯信号，并在LC谐振电路41将经过调制的第二近场通讯信号选取出来后，将调制后的第二近场通讯信号发送至环形天线11；解调器45，连接于整流器42，用于接收直流电压，并解调第一近场通讯信号，并将解调后的第一近场通讯信号发送至处理单元20。

当本实施方式的双频标签装置靠近外部的近场读卡器时，近场读卡器发送第一近场通讯信号，LC谐振电路41谐振提高第一近场通讯信号中的载波的交流电压，当交流电压提高到一定值时整流器42开始工作，整流器42将交流电压整流为直流电压，由于交流电压被LC谐振电路不断的提高，整流器产生的直流电源电压也将提高，当直流电压提高到一定值时，限幅器工作，使直流电压被箝位并稳定在设定的值上，给解调器45供电，同时中断唤醒输出处理单元20的GPIO管脚模块工作，给出唤醒信号，使休眠状态的处理单元20切换到工作状态。近场读卡器发出的第一近场通讯信号是载波为13.56MHz、带有识别数据信息（数据率为106kb／s）的100％幅度调制信号，通过解调器45解调提供给微处理器处理，接着处理单元20通过调制器44向近场读卡器回应发出第二近场通讯信号，该第二近场通讯信号是载波为13.56MHz、带有识别数据信息（数据率为847kb／s）的幅度调制信号，其中，识别数据信息为近场读卡器与双频标签装置进行交互通讯时发送的识别码或者地址码等用于识别身份的数据信息。具体地说，当双频标签装置与近场读卡器无近场数据交互时，近场读卡器向空间中发射13.56MHz的正弦交变电磁场，LC谐振电路41匹配的谐振频率为13.56MHz，当双频标签装置由远及近靠近近场读卡器时，LC谐振电路41发生谐振，LC谐振电路41两端的载波频率上的交流电压被LC谐振电路抬高，整流器42开始工作，将正弦交变电压转化为直流电压VDD。当空间中电磁场强度很弱时，直流电压VDD电压值较低，不能给解调器45中的运放芯片供电。随着双频标签装置靠近近场读卡器，LC谐振电路41耦合得到的能量变强，直流电压VDD升高到解调器45中的运放芯片工作所需要的额定电压，解调器45中的运放芯片开始工作。但是，若双频标签装置继续靠近近场读卡器，直流电压VDD会继续上升，上升到超过MOS管的击穿电压时解调器45中的运放芯片内的器件会被烧坏而失效。所以，需要引入限幅器43，使直流电压VDD稳定在解调器45中的运放芯片工作的额定电压，优选的，将解调器中的运放芯片的额定电压设定为3.4V。限幅器43的设计需要满足两点要求：第一，可精确调节；第二，高增益。正常情况下近场读卡器提供的能量大于其正常工作需要的能量，多余的能量需要限幅器43泄放掉。

另外，模拟电路的电路图请参阅图5，LC谐振电路41由感应线圈L和电容C并联组成；调制器44由三极管M1、第一场效应晶体管M11和第二场效应晶体管M12组成，三极管M1的基极用于接收处理单元20发送的第二近场通讯信号，三极管M1根据第二近场通讯信号控制第一场效应晶体管M11和第二场效应晶体管M12的开关，其中，第一场效应晶体管M11为P通道晶体管（如PMOS管），第二场效应晶体管M12为N通道晶体管（如NMOS管），三极管M1的集电极分别连接第一场效应晶体管M11、第二场效应晶体管M12的栅极，第一场效应晶体管M11和第二场效应晶体管M12的源极和漏极分别连接于LC谐振电路41的两端，三极管M1的发射极还接地；整流器42由四个桥接的整流二极管D1～D4和串联在四个整流二极管D1～D4间的稳压储能电容C1组成，限幅器由两个反向串联的稳压二极管D5、D6组成；解调器45对外部的近场读卡器发送的第一近场通讯信号数据进行解调，解调器45包括包络检波电路、第一比较器P1和第二比较器P2，包络检波电路的输出端连接第一比较器P1的输出端后接入第二比较器P2的正输入端，第一比较器P1的负输入端还连接其输出端，第一比较器P1的使能端EN连接第二比较器P2的输出端，第一比较器P1的正输入端输入第一基准电压VREFA，第二比较器P2的负输入端输入第二基准电压VREFB，包络检波电路包括检波二极管D0、第一稳压电容C2、第二稳压电容C3和恒流源IO，检波二极管连接于所述第一稳压电容和所述恒流源，所述恒流源串联连接所述第二稳压电容后与所述第一稳压电容并联连接，恒流源IO为模拟恒流源，用于为包络检波电路提供恒定电流源，较佳的，恒流源IO包括依次串联的稳压二极管D7、稳压电阻R1和稳压三极管M2；此外，解调器45还包括时钟提取功能，在对接收到的数据进行解调时还能够同时提取当前时钟。

双频标签装置发送到近场读卡器的是载波为13.56MHz，数据率为847kb/s的幅度调制信号（即第二近场通讯信号）。调制器44的原理是采用负载调制的方法达到协议要求的幅度调制的目的，参见图5，当不需要发送数据时，数据率为0，RF1、RF2为13.56MHz的载波。当需要发送数据时，数据率为847kHz米勒编码的方波；当数据为0时，RF1、RF2上的正弦电压幅值较大；当数据为1时，三极管M1打开，将RF1、RF2上的电压拉低，即RF1、RF2上正弦信号的幅值变低，数据的变化会导致RF1、RF2上载波幅值变化，从而完成数据的发送。

近场读卡器向双频标签装置发送的数据是载波为13.56MHz、数据率为106kb／s的100％的幅度调制信号（即第一近场通讯信号），波形可以看作106kHz的方波与13.56MHz的正弦波的乘积。解调器45数据解调的原理是：当RF1电压为正弦波时，电压信号由包络检波电路进行整形，参见图5，在A点得到直流电源电压为第一基准电压VREFA的并带有一定纹波的电压信号，纹波的大小由第一稳压电容C2、第二稳压电容C3和恒流源IO的大小决定。选取VREFA=0.3V，VREFB=0.6V，第二比较器P2输出高电压。当RF1电压由正弦变为0（有效数据为0）时，由于A点信号反应速度高于第一比较器P1带宽，包络检波后的A点电压迅速降低，使A点电压VA<VREFB，第二比较器P2输出低电压，由于第二比较器P2的输出端连接第一比较器P1的使能端EN，在第二比较器P2的输出端低功耗（即输出低电压）时，使能端EN控制关闭第一比较器P1，使A点电压稳定在0，第二比较器P2的输出保持0，等待下一个数据。

处理单元20通过GPIO管脚模块25（具体采用三个GPIO管脚）与模拟电路12相连，平时处理单元20处于深度休眠状态；处理单元20通过SPI接口模块23与射频模块32相连。当目标到达需要监控区域的入口时，双频标签装置接近近场读卡器，环形天线11接收到近场读卡器发送的第一近场通讯信号，使得与环形天线11连接的模拟电路12触发处理单元20中断，通过模拟电路12与处理单元20连接的GPIO管脚模块唤醒处理单元20的主芯片模块21，使其退出休眠模式，处理单元20的主芯片模块21对第一近场通讯信号进行解码、处理，处理单元20的主芯片模块21将自身状态切换成定时唤醒状态，再通过GPIO管脚模块输出用于应答近场读卡器的第二近场通讯信号，模拟电路12对第二近场通讯信号进行调制后发送至环形天线11，环形天线11将调制后的第二近场通讯信号发射至近场读卡器，完成一次通讯任务；接着在需要监控区域中，处理单元20的主芯片模块21通过SPI接口模块23定时（以相同时间间隔）向射频模块32发送第一远距离通讯信号，射频模块32再将该第一远距离通讯信号发送至射频天线31，接着射频天线31向远距离无线通讯基站发射第一远距离通讯信号，并开始接收远距离无线通讯基站回应的带有基站数据信息的第二远距离通讯信号，射频31再将该第二远距离通讯信号发送至射频模块32，射频模块32将其通过SPI接口模块23发送至处理单元20的主芯片模块21，处理单元20的主芯片模块21对第二远距离通讯信号进行解码、处理并存储其中的基站数据信息，其中，处理单元20定时优选1秒发送一次第一远距离通讯信号；当目标到达需要监控区域的出口时，外部的近场读卡器与处理单元20进行通讯读取处理单元20的Flash存储单元中保存的基站数据信息（即处理单元20向近场读卡器发送的第二近场通讯信号中带有供近场读卡器识别和定位的基站数据信息），完成后向双频标签装置发出关闭命令，双频标签装置内的处理单元20再次进入深度休眠状态。

此外，处理单元20通过ADC电压采集模块26对电源单元50进行电压采集，从而获取即时电源状态，并通过远距离无线通讯或近场通讯技术提交到PC端，检测双频标签装置的工作状态，作为评定双频标签装置是否失效的依据。

本发明第二实施方式涉及一种双频标签识别定位系统，请参阅图6，用于目标在需要监控区域400的识别和定位，双频标签识别定位系统至少包括：第一实施方式中的双频标签装置100，近场读卡器300以及远距离无线通讯基站200，近场读卡器300分别设于需要监控区域400的入口401、出口402处，远距离无线通讯基站200设于需要监控区域400内的多个位置，目标携带双频标签装置100，当目标在需要监控区域400的入口401、出口402时，近场读卡器300向双频标签装置100发送第一近场通讯信号，双频标签装置100接收到第一近场通讯信号后向近场读卡器300发送第二近场通讯信号；当目标在需要监控区域400内时，双频标签装置100通过远程无线通讯信号定时向远距离无线通讯基站200发送带有标签数据信息的第一远距离通讯信号，远距离无线通讯基站200接收到第一远距离通讯信号后向双频标签装置100反馈的带有基站数据信息的第二远距离通讯信号，双频标签装置100接收到第二远距离通讯信号后保存基站数据信息。其中，双频标签装置100在基站数据信息存在时向近场读卡器300发送供近场读卡器300识别和定位的带有基站数据信息的第二近场通讯信号，近场读卡器300根据第二近场通讯信号带有的基站数据信息识别和定位目标。

优选地，双频标签识别定位系统还包括：计算机，远距离无线通讯基站通过以太网向计算机发送标签数据信息和基站数据信息。

在本实施方式中，远距离无线通讯基站200分为电源部分、射频模块部分和处理单元部分，其中，处理单元部分集成了有线通讯功能，能够通过RS485接口和以太网完成与计算机物理连接和数据通讯功能，如图7所示，电源部分连接并供电于射频模块部分和处理单元部分，射频模块部分主要负责433MHz远距离无线通讯功能，实现与处理单元部分采用数字接口方式连接，电源部分对外围电源进行整流降压，提供符合系统要求的能量。

当目标（包括物体、人员、车辆）经过需要监控区域的入口402时，需要将双频标签装置100靠近近场读卡器300让其识别，识别成功后则进入需要监控区域400，双频标签装置100同时启动433MHz射频模块，定时发送带有标签数据信息的第一远距离通讯信号，标签数据信息包括标签ID号、电量（用于判断双频标签装置100是否电量过低）、接收打开时间（相对于发送时间）Ts、接收窗口打开时长等。远距离无线通讯基站200收到第一远距离通讯信号后延时Ts反馈带有基站数据信息的第二远距离通讯信号，双频标签装置100接收到第二远距离通讯信号后保存基站数据信息，基站数据信息包括基站数据发送时间、远距离无线通讯基站ID号、远程无线通讯信号强度信息等。当目标通过出口402要求离开需要监控区域400时，需要将双频标签装置100靠近近场读卡器300让其识别，并读取双频标签装置300中的基站数据信息，从而获得目标在需要监控区域400中运动的路径，做到对目标的识别和定位。此种方式可以应用于高速公路多路径识别，能够最大限度保留现有收费系统各项设备，最大程度降低改造费用。

在基站联网环境下，远距离无线通讯基站可以将收到的标签数据信息和发出的基站数据信息传输到计算机，计算机接收到包括标签ID号、远程无线通讯信号强度信息、远距离无线通讯基站ID号、基站数据发送时间等，计算机的应用程序通过对于标签ID号与远距离无线通讯基站ID号监控判断出目标是否在所规定的区域，当有三个以上远距离无线通讯基站在同一时刻收到同一个标签数据，应用接收的信号强度指示进行精确定位。此种方式也可以应用于仓储管理，自动化盘点、人员监控等场合。

此外，第二近场通讯信号的发送包结构可以如下表1所示：

表1

前导

SyncWord

Length

0xFF

ID

PWR

RTime

RWin

CRC

16Bit

32Bit

8Bit

8Bit

48Bit

2Bit

6Bit

8Bit

16Bit

其中，各结构含义如下：

前导：双频标签装置为发送的第二近场通讯信号设定的标识位；

SyncWord：无线数据包同步字；

Length：数据包长度单位字节，一般为9；

ID：每个双频标签装置唯一的ID号；

PWR：双频标签装置电量0代表10%一下，1代表10%～20%，2代表20%～50%，3代表50%～100%；

RTime：接收打开时间；

RWin：接收窗口打开时长；

CRC：数据包的CRC校验码。

另外，远距离无线通讯基站反馈的第二远距离通讯信号的发送包结构可以如下表2所示：

表2

前导

SyncWord

Length

ID

NID

STime

CRC

16Bit

32Bit

8Bit

48Bit

16Bit

8Bit

16Bit

其中，各结构含义如下：

前导：远距离无线通讯基站为发送的第二远距离通讯信号设定的标识位；

SyncWord：无线数据包同步字；

Length：数据包长度单位字节，一般为9；

ID：反馈发送目标双频标签装置的ID号；

NID：远距离无线通讯基站ID号；

STime：基站数据发送时间或者远距离无线通讯基站建议双频标签装置下一次发送时间间隔；

CRC：数据包的CRC校验码。

综上所述，本发明的双频标签装置将近场通讯技术与远程无线通讯技术相结合，通过射频模块和模拟电路将两种技术有机融合在同一个装置中，并将无线通讯数据与近场通讯数据通过同一处理单元进行处理，同时将通讯数据保存到处理单元的存储模块中，达到数据共享、精确识别定位的目的，成本低廉，且兼容现有近场读卡设备，保证了在已有设备投入资源基础上，经过少量设备添置，达到对目标精确跟踪定位的目的。另外，本发明的双频标签识别定位系统通过改造双频标签装置能够实现精确定位目标，且设备投入少、改造成本低，能保持与原有系统保持较高的兼容性，可以应用于高速公路多路径识别，能够最大限度保留现有收费系统各项设备，最大程度降低改造费用，也可以应用于仓储管理、自动化盘点、人员监控等场合。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (14)

1.一种双频标签装置，用于与外部的近场读卡器和远距离通讯基站分别进行通讯，其特征在于，所述双频标签装置至少包括：近场通讯单元、远距离通讯单元和处理单元，所述处理单元连接于所述近场通讯单元和所述远距离通讯单元；

所述近场通讯单元接收所述近场读卡器发送的第一近场通讯信号，所述处理单元处理所述第一近场通讯信号，并通过所述近场通讯单元向所述近场读卡器发送第二近场通讯信号；

所述处理单元通过所述远距离通讯单元向所述远距离通讯基站发射带有标签数据信息的第一远距离通讯信号，所述远距离通讯单元接收所述远距离通讯基站反馈的带有基站数据信息的第二远距离通讯信号，所述处理单元处理所述第二远距离通讯信号并保存所述基站数据信息；

其中，所述处理单元在所述基站数据信息存在时通过所述近场通讯单元向所述近场读卡器发送供所述近场读卡器识别和定位的带有所述基站数据信息的第二近场通讯信号。

2.根据权利要求1所述的双频标签装置，其特征在于，所述近场通讯单元至少包括：

环形天线，用于接收所述近场读卡器发送的第一近场通讯信号，或者向所述近场读卡器发射所述第二近场通讯信号；

模拟电路，连接于所述环形天线，用于将所述第一近场通讯信号发送至所述处理单元，或者将所述处理单元发出的第二近场通讯信号发送至所述环形天线。

3.根据权利要求2所述的双频标签装置，其特征在于，所述模拟电路至少包括：

LC谐振电路，用于谐振提高所述第一近场通讯信号中的载波的交流电压，或者将经过调制的所述第二近场通讯信号选取出来；

整流器，连接于所述LC谐振电路，用于将提高后的第一近场通讯信号中的载波的交流电压转化为直流电压，并输出所述直流电压；

限幅器，连接于所述整流器，用于限制所述直流电压的大小；

调制器，连接于所述LC谐振电路，用于调制所述处理单元发出的第二近场通讯信号，并将调制后的第二近场通讯信号发送至所述环形天线；

解调器，连接于所述整流器，用于接收所述直流电压，并解调所述第一近场通讯信号，并将解调后的第一近场通讯信号发送至所述处理单元。

4.根据权利要求3所述的双频标签装置，其特征在于，所述LC谐振电路包括感应线圈和电容，所述感应线圈与所述电容并联连接；

所述调制器包括三极管、第一场效应晶体管和第二场效应晶体管，所述三极管的基极用于接收所述处理单元发送的第二近场通讯信号，所述三极管的集电极连接于所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管的栅极，所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管的源极和漏极分别连接于所述LC谐振电路的两端，其中，所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管为相反类型的晶体管；

所述整流器包括四个桥接的整流二极管和串联在四个整流二极管间的稳压储能电容；

所述限幅器包括反向串联的两个稳压二极管；

所述解调器包括包络检波电路、第一比较器和第二比较器，所述包络检波电路的输出端连接所述第一比较器的输出端后接入所述第二比较器的正输入端，所述第一比较器的使能端连接所述第二比较器的输出端。

5.根据权利要求4所述的双频标签装置，其特征在于，所述包络检波电路包括检波二极管，第一稳压电容、第二稳压电容和恒流源，所述检波二极管连接于所述第一稳压电容和所述恒流源，所述恒流源串联连接所述第二稳压电容后与所述第一稳压电容并联连接。

6.根据权利要求5所述的双频标签装置，其特征在于，所述恒流源包括依次串联的稳压二极管、稳压电阻和稳压三极管。

7.根据权利要求1所述的双频标签装置，其特征在于，所述远距离通讯单元至少包括：

射频天线，用于向所述远距离通讯基站发射所述第一远距离通讯信号，或者接收所述远距离通讯基站反馈的带有基站数据信息的第二远距离通讯信号；

射频模块，连接于所述射频天线，用于将所述处理单元发出的带有标签数据信息的第一远距离通讯信号发送至所述射频天线，或者将所述第二远距离通讯信号发送至所述处理单元。

8.根据权利要求1所述的双频标签装置，其特征在于，所述处理单元至少包括：

主芯片模块，用于处理所述第一近场通讯信号并发出所述第二近场通讯信号，或者以相同时间间隔发出带有标签数据信息的第一远距离通讯信号，并在接收到所述第二远距离通讯信号时对其进行处理；

RTC时钟模块，连接于所述主芯片模块，用于为所述主芯片模块的工作提供时间基准；

SPI接口模块，连接于所述主芯片模块和所述远距离通讯单元，用于将所述远距离通讯单元接收到的带有基站数据信息的第二近场通讯信号传输至所述主芯片模块，或者将所述主芯片模块发出的所述第一远距离通讯信号传输至所述远距离通讯单元；

Flash存储模块，连接于所述主芯片模块，用于在所述主芯片模块处理所述第二远距离通讯信号后保存所述基站数据信息；

GPIO管脚模块，连接于所述主芯片模块和所述近场通讯单元，用于将所述近场通讯单元接收到的所述第一近场通讯信号传输至所述主芯片模块，或者将所述主芯片模块发出的所述第二近场通讯信号传输至所述近场通讯单元。

9.根据权利要求1所述的双频标签装置，其特征在于，所述近场通讯单元采用13.56MHz频段，所述第一近场通讯信号为具有13.56MHz载波并带有识别数据信息的幅度调制信号，所述第二近场通讯信号为具有13.56MHz载波并带有识别数据信息或者带有识别数据信息和所述基站数据信息的幅度调制信号；所述远距离通讯单元采用433MHz频段，所述第一远距离通讯信号为具有433MHz载波并带有标签数据信息的幅度调制信号，所述第二远距离通讯信号为具有433MHz载波并带有基站数据信息的幅度调制信号。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的双频标签装置，其特征在于，所述双频标签装置还包括：电源单元，连接于所述处理单元、所述近场通讯单元和所述远距离通讯单元，用于为所述处理单元、所述近场通讯单元和所述远距离通讯单元供电。

11.根据权利要求10所述的双频标签装置，其特征在于，所述处理单元还包括：ADC电压采集模块，连接于所述主芯片模块和所述电源单元，用于采集电源单元的模拟电平信号。

12.一种双频标签识别定位系统，用于目标在需要监控区域的识别和定位，其特征在于，所述双频标签识别定位系统至少包括：如权利要求1所述的双频标签装置，近场读卡器以及远距离无线通讯基站，所述近场读卡器设于所述需要监控区域的出入口处，所述远距离无线通讯基站设于所述需要监控区域内的多个位置，所述目标携带所述双频标签装置；

所述目标在所述需要监控区域的出入口时，所述近场读卡器向所述双频标签装置发送第一近场通讯信号，所述双频标签装置接收到所述第一近场通讯信号后向所述近场读卡器发送第二近场通讯信号；

所述目标在所述需要监控区域内时，所述双频标签装置向所述远距离通讯基站发射带有标签数据信息的第一远距离通讯信号，所述远距离无线通讯基站接收到所述第一远距离通讯信号后向所述双频标签装置反馈的带有基站数据信息的第二远距离通讯信号，所述双频标签装置接收到所述第二远距离通讯信号后保存所述基站数据信息；

其中，所述双频标签装置在所述基站数据信息存在时向所述近场读卡器发送供所述近场读卡器识别和定位的带有所述基站数据信息的第二近场通讯信号，所述近场读卡器根据所述第二近场通讯信号带有的所述基站数据信息识别和定位所述目标。

13.根据权利要求12所述的双频标签识别定位系统，其特征在于，所述双频标签识别定位系统还包括：计算机，所述远距离无线通讯基站通过以太网向所述计算机发送所述标签数据信息和所述基站数据信息。

14.根据权利要求12所述的双频标签识别定位系统，其特征在于，所述标签数据信息包括标签ID号，电量，接收打开时间以及接收窗口打开时长；所述基站数据信息包括基站数据发送时间，远距离无线通讯基站ID号以及远程无线通讯信号强度信息。

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